多年来，因产品设计的要求，激光塑料焊接在医疗器械产品的应用受到了很大限制，激光焊接的塑料组件包括一个“透明”或“透射”塑料部件，以及另一个“深色”或“吸收性”塑料零件。这种产品设计要求，就需要当施加激光能量时，来自激光器的热能将穿过透射部分并积聚在吸收部分的焊接区域内。在那里，热量使两个塑料零件的边缘软化，并在压缩力的作用下聚集在一起，成为干净、无颗粒的焊接组件。

现在由于采用了全新的工艺，用激光焊接两个由多种聚合物材料制成的光学透明塑料零件，用于医疗和其他应用已经成为了可能。这项创新技术是艾默生的布兰森同时传输红外（simultaneous through-transmission infrared）激光焊接技术，与Sono-Tek的精密超声波喷涂技术相结合的产物。这一突破为医疗器械，药物输送系统和体外测试产品的制造商提供了新的设计可能性。

新的“透明对接”（clear-on-clear）激光焊接工艺，通过在生物焊接前用生物相容性激光吸收剂对两个“透明”对接零件之一进行精密处理，从而克服传统的透射、吸收零件的局限性。吸收剂由悬浮在诸如异丙醇或丙酮等载液中的颜料染料或炭黑的微粒组成。

焊接前，有几种方法可以用激光吸收器清除塑料零件。成型前，吸收剂以母料的形式被添加到树脂中，通过移印工艺（pad printing）将其吸收到成型零件上，或者为了获得最大精度，可以使用Sono-Tek超声波喷涂设备将其吸收到单个零件上。

喷雾沉积涉及到使用精密的超声波雾化器，将激光吸收染料沉积在匹配的零件上，从而产生小至0.5毫米的喷雾图案宽度。当使用最佳超声频率和喷雾图案进行沉积时，载液基本上会迅速蒸发掉，并在热塑性表面上留下精确的激光吸收颗粒图案，尺寸为1微米或更小。

在焊接过程中，激光能量被这些颗粒吸收释放热能，该热能传导通过配合零件的焊接区，在压缩力作用下结合在一起。根据Sono-Tek的区域销售经理Anita Ennest所说，“超声喷涂沉积系统旨在将微量的颜料染料沉积（以微升为单位），并且涂层厚度可以在数百纳米的表面上进行评估。” 她补充说，用于吸收激光的悬浮液设备是仿照先前用于医疗支架上沉积超薄、超精密涂层的设备而设计的。

Ennest补充解释说，新塑料焊接工艺成功的关键因素，是起源于最初为光伏电池开发的吸收光的涂层，但其配方是由生物相容性溶剂和颜料染料组合而成。开发正确组合是一个迭代的过程，需要技术人员将涂层、沉积和焊接过程中的吸收性材料转变为透射性材料，然后再从透射性材料转变为完全透明的材料。  

■舌槽激光接合点示例，显示了生物相容性激光吸收器和溢流容纳区。图片由艾默生提供

该工艺面临的另一个挑战是需要将吸收激光的染料，分配并沉积到注射成型零件的接头上的正确位置。典型的目标位置包括榫槽连接的内表面，或配合零件上的“双V”形连接的内表面。像这样将吸收剂精确地沉积在封闭的接缝中，不仅可以聚集产生零件间熔体所需的激光产生的热量，而且还可以形成一个“闪蒸阱”（flash trap），其中包含熔体的处理区域，将其与附近的微流体隔离开来。

随着Sono-Tek完善了应用激光吸收器的方法，艾默生最大限度地提高了启用喷雾激光焊接工艺的效率。新的透明（clear-on-clear）塑料激光焊接技术可以稳定地产生复杂的流体路径，同时在亚毫米流径间距中保持优越的高宽比。这种精确度对于微流体零件至关重要，该零件必须可靠地粘合在一起，同时沿极小的流动路径保持一致的尺寸。

■使用创新的新型焊接工艺对两个透明的对接部件进行激光焊接，该工艺可以产生复杂的流体路径，同时保持较高的高宽比。图片由艾默生提供

由于喷射沉积工艺的精确性，减少了对精确成像激光能量的需求，这是因为透明（clear-on-clear）焊接在激光染料位置的部位已经发生了沉积。另外，当配套零件采用榫槽连接或类似的接头设计时，那么该接头可用于在焊接前正确对准整个组件。如上所述，已经形成焊缝的区域可以和组件中功能性微流体路径完全隔离，这是医疗或医疗设备应用程序所必需的。  

新技术与许多现有的激光焊接工艺相结合

由于这种新的“透明”（clear-on-clear）激光焊接技术，依赖于适用于同时传输红外焊接工艺的设备，如生物相容性激光吸收剂和超声喷涂沉积设备，可以将其“固定”在许多现有激光器的焊接应用中。

然后一旦实施，它就可以提供以秒为单位测量的周期时间，从而使激光焊接出医用级别的透明微流体部件，并在经济上有可行性。并且，由于喷射沉积工艺可适于一次处理多个零件，因此喷射沉积和焊接工艺均可进一步扩大规模，提升生产速度。  

■艾默生的Branson GLX Micro激光焊接机是GLX系列中五个单元中最小的。焊接单元（左）具有彩色触摸屏HMI，150 x 150 mm的升降台和高达0.05kN的夹紧力，使其成为焊接医疗应用中的微流体零件的绝佳选择。右侧的单元包含焊工的激光源和电源。图片由艾默生提供

新工艺还允许更多种类透明热塑性材料的组合，并且与化学方法无关。由于吸收激光的染料能有效地传导热量和热量，因此可以补偿配套零件之间不同聚合物的玻璃化转变温度（Tg）的差异。 

该过程的一个典型示例涉及了使用两张透明塑料“优惠券”——注塑零件，它们相互配合形成一条蜿蜒的流动路径，就像体外诊断（IVD）系统，人类药物输送系统中发现的那样或植入式医疗设备。“优惠券”将每个组件里的一半“吸收性”样片放入到Sono-Tek喷涂设备中，以沉积激光吸收器。

■艾默生的STTIr激光焊接技术通过将溶剂型激光吸收剂应用到一个零件的配合表面上，现在可以将透明的零件接合在一起，从而获得出色的美观和功能效果。图片由艾默生提供

对于需要光学透明流经的医疗或体外诊断设备，该技术具有非常大的市场潜力，简化了毛细管大小的流体路径中血细胞计数自动化的实现，到向技术人员提供视觉验证的方法，从而可以有效地将有效剂量的微剂量正确地用于患者。